지구생명체의 역사 시간표, 새롭게 쓰여지다 & 오직 지구에만 생명체가 살 수 있었던 이유는? &&

지구는 태양으로부터 세 번째로 가까운 거리에 위치한 암석 행성이다. 다른 3개의 암석 행성과 비교해보면, 수성보다 지름이 3배 정도 큰데, 금성보다는 약간 크고 화성보다는 2배 크다.

지구도 다른 행성처럼 물질의 강착을 통해 만들어졌다. 지구가 만들어지기 시작한 후 약 1억 년이 지났을 때, 지구 크기의 절반이나 3분의 1쯤인 다른 원시행성_protoplanet이 지구와 충돌한 것으로 보인다. 지질학자들은 그 원시행성 충돌의 충격으로 상당량의 지구 물질이 떨어져나갔다고 생각한다. 그렇게 떨어져나간 물질의 대부분이 중력의 힘으로 뭉쳐 달이 되었다. 달은 초기에는 지구에서 가까운 궤도를 돌았지만 지금은 매년 지구에서 약 5센티미터씩 멀어지고 있다.

대충돌_{Big Thwack}이라고 불리는 달을 만들어낸 충격으로, 지구 자전축이 수직에서 약간 벗어났다. 그 충돌 이후 지구의 자전축은 태양면을 기준으로 약 23도 기울어졌다. 지구에 계절이 있는 이유는 자전축이 기울어져 있기 때문이다. (조금 뒤에 자세히 알아보자.)

지구의 크기가 커지면서 온도가 올라갔다. (별에서 일어나는 수소 융합이 만들어내는 온도까지는 아니다.) 지구의 온도가 올라간 데는 몇 가지 이유가 있었다. 우주에서 온 물질 덩어리들과의 충돌이 한 이유였다. 중력의 영향으로 크기가 커지면서 지구에 떨어지는 물체의 중력 위치에너지가 열로 바뀌었다. 또한 지구에 풍부하게 존재하는 방사성 원소들이 붕괴하며 열을 발생시켰다. 지구에 있는 방사성 원소들은 이 장의 앞에서 본 것처럼 태양계가 형성되기 직전의 초신성 폭발 때 만들어졌다.

지구가 뜨거워지면서 지구 내부가 녹았고 원소들이 밀도에 따라 지질학에서 화학적 층화_{chemical differentiation}라고 부르는 과정을 통해 분리되었다. (눈치 빠른 독자라면 알아챘겠지만 우리는 천문학, 물리학, 화학의 영역에서 지질학의 영역으로 접어들고 있다.) 지구가 녹으면서 철이나 니켈 같은 무거운 원소는 중심부로 가라앉았다. 가벼운 물질은 중간에 자리 잡았고 그보다 더 가벼운 것은 맨 위로 떠올랐다.

지질학자들은 지구 역사의 첫 6억 년을 (46억 년 전부터 40억 년 전 사이) 명왕누대_{Hadean Eon}라고 부른다. 그 이름은 하데스_Hades라는 그리스어에서 왔는데, 죽은 영혼들이 사는 저승을 뜻하는 말이다. 지구의 첫 시기에 이런 이름이 붙여진 이유는 기독교인들이 하데스를 뜨거운 지옥으로 생각했기 때문이다.

초기 지구는 대단히 빠르게 자전했기 때문에 하루가 8시간이었다. 약 40억 년 전, 지구의 자전 시간이 달과 태양의 간섭으로 느려져 약 15시간으로 길어졌다. 태양은 현재보다 밝기가 약 25~30퍼센트 정도 어두운 상태였다. 그 당시에 인간이 존재했다면, 이산화탄소가 많았기 때문에 하늘을 붉은 색으로 보았을 것이다. 소행성이 계속해서 지구에 떨어졌지만 빈도는 차츰 줄어들었다. 지표면에 물이 있었다고 해도 그 충돌로 증발해 짙은 구름층을 만들었을 것이다. 화산은 그렇지 않아도 뜨거운 지표면에 용암을 뿜고 있었다. 우리가 상상하는 지옥의 이미지와 상응하는 모습이다.

시간이 지나 방사능이 약해지고 소행성 충돌이 줄어들면서 지구의 온도가 차츰 내려갔다. 온도가 내려가면서 수증기가 따뜻한 액체로 변해 수백만 년 동안 비가 내렸다. 그 많은 양의 물은 어디서 왔을까? 대부분은 처음 지구가 만들어질 때 함께 모인 물질들에서 왔다. 이후에는 거의 얼음으로 만들어진 혜성이 지구와 충돌하면서 지구로 왔다.

약 38억 년 전, 바다가 만들어질 정도로 지구 온도가 내려갔다. 바다가 많은 이산화탄소를 흡수해 하늘색도 푸르게 보였다. 일부 대륙판도 이때 만들어지기 시작했다. 지구에서 가장 오래된 물질은 약 44억 년 된 규산결정물인데 2010년에 서호주에서 발견되었다. 약 38억 년 된 암석이 캐나다, 호주, 남아프리카, 그린란드 등에서 발견되었다. 30억 년 전쯤 현재 지구 표면의 약 65퍼센트가 만들어진다. 학자들은 20억 년 전쯤에 현재의 판구조가 완전히 자리 잡았다고 생각한다.

약 35억 년 전에 지구는 생명의 탄생을 가능하게 만든 놀라운 특징을 갖는다. 가장 중요한 특징은 태양으로부터 지구의 거리였다. 지구 표면의 물은 지구가 태양에서 적당한 거리에 있기 때문에 존재한다. 만약 지구 궤도가 태양에 더 가까웠다면 표면의 물은 모두 증발했을 것이다. 반대로 너무 멀다면 표면의 물은 얼어붙을 것이다.

지구의 층상 구조 역시 또 다른 중요한 특징이다. 지구의 중심부에 있는 내핵은 철과 니켈로 구성되어 있는데, 열 때문에 액체 상태이기는 하지만 중력의 영향으로 마치 고체처럼 움직인다. 내핵을 둘러싼 외핵은 액체 상태의 철과 니켈로 되어 있는데 이것이 지구의 자기장을 만든다. 그다음 계층인 맨틀_mantle은 단단하지만 긴 시간에 걸쳐 흐르면서 대륙을 이동시킨다. 대륙지각은 평균 35킬로미터 깊이인데, 그 아래를 흐르는 맨틀은 약 650킬로미터 깊이에 이른다. 바다의 깊이는 평균 5킬로미터이고 그 아래 약 5킬로미터 두께의 해양지각이 자리 잡고 있다. 바다의 경우에도 해양지각 아래로 맨틀이 흐르고 있다. 지구 주변에는 얇은 대기권이 자리 잡고 있다. 지구 중력에 붙잡혀 있는 대기권은 우리를 우주 공간과 분리한다.

지구의 층상 구조는 생명에 대단히 중요한 요소다. 앞서 말했듯 지구 외핵은 용해된 철에 존재하는 전류로 인해 자기장을 만들어낸다. 자기장은 외계의 각종 우주선_{cosmic ray}(높은 에너지를 가진 양성자와 원자핵)으로부터 지구 표면의 생명체를 보호해준다.

맨틀은 위쪽보다 아래쪽이 더 뜨겁다. 맨틀 아래쪽의 열은 펄펄 끓는 것이 아니라 완두콩 수프가 데워질 때처럼 아래쪽 열이 위로 올라가 뒤집어지면서 전달된다. 지구의 판이 이런 맨틀 위에 떠 움직이면서 판구조가 형성된다. 일부 판의 끝에서는 하나의 판이 다른 판의 아래로 들어가 다시 맨틀의 일부가 되는데 이를 섭입_subduction이라고 한다. 이런 방식으로 지구 표면의 대부분은 끊임없이 순환한다. 한 번의 순환 과정은 약 5억 년이 걸린다.

지구의 크기 또한 생명을 가능하게 만든 특징 중 하나다. 지구가 더 작았다면 중력이 약해 생명에 필수적인 대기나 액체 상태의 물이 존재하지 못했을 것이다. 만약 지구가 더 컸다면 중력으로 지상 생명체의 대부분이 으스러졌을 것이다.

지구 자전축이 기울어진 것도 생명에 필수적이다. 북반구를 예로 들면 태양을 돌 때 자전축이 기울어져 있기 때문에 일부 궤도에서는 태양 쪽으로 기울고, 일부 궤도에서는 태양 반대 방향으로 기운다. 태양 빛이 지구에 도달하는 각도 변화에 따라 열의 양도 변화한다. 여기서 중요한 것은 자전축의 기울기는 고정되어 있고 공전 궤도에서 지구의 위치가 변화한다는 것이다. (물론 자전축의 기울기도 조금씩 변한다. 이에 대해서는 뒤에 설명한다.)

태양 쪽으로 축이 기울어진 지구의 반구는 더 많은 태양빛을 받고 자연히 더 많은 열을 받는다. 우리는 이를 여름이라고 부른다. 그 반대가 겨울이다. 이것이 남반구와 북반구의 계절이 반대인 이유다. 같은 이유로 적도 근처의 열대 지방에서는 이런 계절 현상이 뚜렷하게 나타나지 않는다.

태양의 열이 지구에 얼마나 많이 전달되는지 알아내기 쉽지 않다. 긴 시간에 걸쳐 보면 그 양이 일정하지 않기 때문이다. 또한 지구의 공전 궤도가 변하고 지구의 자전축은 흔들리면서 도는 팽이처럼 세차 운동을 하고 자전축의 기울기도 조금씩 변하기 때문이다.

지구의 공전 궤도는 달걀 모양의 타원형인데, 7월과 비교하면 1월의 지구는 태양에 약 500만 킬로미터 더 가깝다. 하지만 늘 그런 것은 아니다. 때로는 공전 궤도가 거의 원 모양을 그리는데 약 10만 년을 주기로 원형과 타원형 궤도를 오간다. 자전 축의 기울기는 약 4만 1000년 주기로 1.5~24.5도 사이를 오간다. (만약 달의 중력이 지구를 안정시키지 않는다면 자전축은 더 기울어질 것이다.) 자전축의 세차 운동은 2만 1000년 주기로 일어난다. 공전 궤도의 변화, 자전축 기울기의 변화, 자전축 세차 운동은 태양과 달의 중력과 금성과 화성, 목성과 토성으로부터 지구까지의 거리 변화 때문에 생긴다. 그 모든 우주 물체가 지구와 주기적으로 멀거나 가까워지기 때문에 그것의 중력이 지구의 궤도와 자전축의 기울기를 변하게 만든다. 우리는 모든 것이 모든 것을 끌어당기는 거대한 우주적 중력 체계 안에서 살고 있다. 이 모든 요인이 지구에 도달하는 태양에너지의 양과 분포를 결정하고 그것이 기후에 영향을 미친다.